核電站無刷勵磁系統的電樞電流諧波分析研究

， ， (.四川大學錦城學院新能源工程系，四川 成都 673； .四川大學電氣工程系,四川 成都 60065)

0 引 言

無刷勵磁系統是核電站汽輪發電機組的重要組成部分，其基本功能是：向汽輪發電機提供勵磁電流；當負載工況變化時，維持機端電壓穩定；當電力系統受到擾動時，保持發電機穩定運行；當發電機出現異常工況時，通過勵磁調節限制運行工況，保護發電機。它的性能和可靠性直接影響到發電機組和電網的安全運行和送電能力，是發電機組和電網系統中極其重要的一環[1]。

無刷同步發電機勵磁系統的主勵磁機是轉樞式同步電機，與轉子同軸旋轉的電樞繞組感應出的交流電流經與主軸一起旋轉的二極管整流后，直接送到主同步發電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經過靜止的晶閘管整流器后供給。由于這種勵磁系統取消了集電環和電刷裝置，故稱為無刷勵磁系統。由于取消了電刷和集電環，減少了大量的維護工作并消除了因為電刷與集電環的機械性接觸摩擦造成的噪聲、火花和發熱等不安全因素,因此無刷勵磁同步電機在大容量核電機組中得到廣泛的應用[2]。

在實際運行過程中，整流二極管處于高速旋轉的狀態將承受十分強大的離心力，故發生故障的概率非常高。一旦發生故障，如一臂開路、一臂短路等，將造成二極管的損壞，嚴重時不能給主發電機提供勵磁電流從而影響發電機的正常安全運行，最后可能造成嚴重的后果。針對無刷勵磁系統旋轉整流器的故障診斷，國內外做了很多的研究，多數研究的是三相無刷勵磁系統和11相(或多相)無刷勵磁系統，而研究六相無刷勵磁系統卻很少[3-6]。

六相無刷勵磁系統不僅可以降低大功率勵磁系統對單個二極管的容量要求，還能提高整流電壓的質量，改善系統的容錯性，因此得到了廣泛的應用。下面重點對六相無刷勵磁系統勵磁機旋轉整流器在正常運行、一臂開路和一臂短路3種工況下進行交流勵磁機電樞電流諧波分析,并在Matlab中Simulink的環境下進行仿真計算。

1 旋轉整流器正常運行時的理論分析

六相無刷勵磁同步發電機的主交流勵磁機的電樞電流由副交流勵磁機經過可控硅整流之后提供，主同步發電機的勵磁電流由主交流勵磁機經過旋轉整流器整流后輸出到主同步電機的轉子繞組上提供。該旋轉整流器所接的負載可以認為是大電感負載，負載電流Id為同步發電機轉子勵磁電流， 其六相無刷勵磁同步電機勵磁系統接線圖如圖1所示。

帶整流器負載的主交流勵磁機的電樞電流可以認為是正弦波形，定子電樞每相感應電壓均為正弦波，相角依次相差60°。但是由于交流勵磁機的電樞繞組存在電抗，導致電樞電流不能突變，所以電樞電流是非正弦的，并存在一個換相重疊角γ。Uɑ相電樞電流波形如圖2所示。

為了簡化計算，這里忽略電樞繞組的電抗，認為電樞電流是正弦波形，則Uɑ相電樞電流波形如圖3所示。

圖3所示的電樞電流在一個周期內的表達式可以用分段函數表示，則交流勵磁機的旋轉整流器在正常運行時Uɑ相的電樞電流為

圖2 實際的Uɑ相電樞電流波形

圖3 簡化后的Uɑ相電樞電流波形

(1)

式中，Id為負載電流。從電樞電流的波形和公式可以看出，電樞電流是周期函數且滿足狄利克雷定理，故可以對電樞電流進行傅里葉分解，得到分解后的電樞電流為

(2)

即

(3)

從電樞電流的傅里葉分解可以看出交流勵磁機的旋轉整流器在正常運行時電樞電流不含有直流分量和偶次諧波，僅含有奇次諧波，其中3次、5次和7次諧波的含量最多，且諧波含量隨著諧波次數的增加而降低。

2 旋轉整流器一臂開路時的理論分析

同旋轉整流器正常運行時的分析方法一樣，為了簡化計算，同樣忽略電樞繞組的電抗，認為電樞電流是正弦波形，則Uɑ相一臂開路時的電樞電流波形如圖4所示。

圖4 Uɑ相一臂開路時電樞電流波形

圖4所示的電樞電流同樣用分段函數表示，則交流勵磁機的旋轉整流器在一臂開路時Uɑ相的電樞電流為

(4)

可以看出電樞電流還是周期函數并且滿足狄利克雷定理，同樣在一個周期內的表達式可以用傅里葉分解，得到

(5)

從一臂開路時電樞電流的傅里葉分解可以看出，交流勵磁機的旋轉整流器在一臂開路時電樞電流不僅含有奇次諧波，還出現了直流分量和偶次諧波，其中2次和4次諧波含量很多并且諧波含量隨著諧波次數增加而降低。

3 旋轉整流器一臂短路時的理論分析

用同樣的方法來分析整流旋轉器在一臂短路時的電樞電流，則Ua相一臂短路時的電樞電流波形如圖5所示。

圖5 Uɑ相一臂短路時電樞電流波形

圖5所示的電樞電流波形同樣還是周期函數并且滿足狄利克雷定理，同樣在一個周期內的表達式可以用傅里葉分解，但是由于短路時的電樞電流波形明顯不能用一個顯函數來表示并且也不易用分段函數來表示。為了簡化計算，這里采用Matlab擬合工具箱將短路時的電樞電流波形進行了擬合，得到一個擬合函數為

iɑ=a1sin(b1ωt+c1)+a2sin(b2ωt+c2)+a3sin(b3ωt+c3)+a4sin(b4ωt+c4)

(6)

由傅里葉分解可以知道一個非標準正弦函數的分解除了直流分量以外，其奇次偶次諧波含量是隨著諧波次數的增加成冪數的減少，可見在短路發生時電樞電流的直流分量和低次諧波的含量較多，如2次諧波、3次諧波等。

4 旋轉整流器正常和故障時仿真分析

在Matlab中的Simulink環境下建立三相、六相無刷勵磁系統的仿真模型[7-8]，三相無刷勵磁機用Matlab的三相同步電機模塊來進行仿真，如圖6所示；六相無刷勵磁機采用六相電壓源模塊進行仿真，如圖7所示。

圖6 三相無刷勵磁系統的仿真模型

圖7 六相無刷勵磁系統的仿真模型

表1 無刷勵磁機參數和同步發電機轉子參數

通過仿真分析，分別獲得三相、六相交流勵磁機旋轉整流器在正常運行時的電樞電流波形和諧波成分，如圖8和圖9所示。而圖10和圖11分別是三相、六相交流勵磁機旋轉整流器發生一臂開路時的電樞電流波形和諧波成分。另外，圖12和圖13分別是三相、六相交流勵磁機整流器發生一臂短路時電樞電流的波形和諧波成分。

圖8 正常運行時Uɑ相電樞電流波形和諧波(三相)

從仿真結果可以看出，六相無刷勵磁系統勵磁機旋轉整流器在正常運行、一臂開路和一臂短路三種情況下，電樞電流的諧波次數和含量與三相無刷勵磁系統勵磁機旋轉整流器在正常運行、一臂開路和一臂短路3種情況下基本相同。出現不同的地方在于旋轉整流器正常運行時，三相勵磁系統中的電樞繞組是星型連接，故3次及3的整數倍諧波不存在，而對于六相勵磁系統則是6次及6的整數倍諧波不存在。但是總體的故障特征并沒有改變，例如：正常運行時奇次諧波含量較多；一臂開路時直流分量、基波和2次、4次諧波含量較多；一臂短路時直流分量、基波和2次諧波含量較多。

圖9 正常運行時Uɑ相電樞電流波形和諧波(六相)

圖10 一臂開路時Uɑ相電樞電流波形和諧波(三相)

圖11 一臂開路時Uɑ相電樞電流波形和諧波(六相)

圖12 一臂短路時Uɑ相電樞電流波形和諧波(三相)

圖13 一臂短路時Uɑ相電樞電流波形和諧波(六相)

因此，根據勵磁機轉子側出現不對稱電流可以在勵磁機定子側感應出相應的諧波電流的原理，可在定子側進行諧波電流的成分檢測(例如正常運行時6次諧波含量最大、一臂開路時基波含量最大、一臂短路時2次諧波含量最大)達到故障診斷目的，或者檢測定子側電流基波含量與6次諧波含量的比值、基波含量與2次諧波含量的比值作為故障類型的判斷。

5 結 語

針對六相無刷勵磁系統勵磁機在正常運行、一臂開路和一臂短路3種情況下對電樞電流進行諧波理論分析和仿真計算，得出仿真結果與理論分析一致；與三相無刷勵磁系統進行了比較，得出六相無刷勵磁系統的故障特征與三相相似，三相無刷勵磁系統故障檢測方法可以用于六相無刷勵磁系統。

[1] 趙昌宗. 嶺澳核電發電機用無刷勵磁機的技術特點[C].中國電機工程學會大電機專業委員會學術年會，2009.

[2] 魯勇勤.廣東嶺澳二期1 150 MW核電發電機無刷勵磁系統[J]. 東方電機, 2009,15(5): 42-47.

[3] 劉念，曾德純，謝應璞，等.交流勵磁機旋轉整流器故障的微機識別快速報警裝置研究[J].電氣應用,1993,10(1)：11-13.

[4] 劉念.無刷勵磁旋轉整流器電流波形分析及其故障的微機識別 [J]. 電力系統自動化,1994,18(4):19-26.

[5] Zouaghi T, Poloujadoff M. Modeling of Polyphase Brushless Exciter Behavior for Failing Diode Operation [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,1998， 13(3): 214-220.

[6] Xiao C J, Li Q F, Lai J S, et al. Analysis of Polyphase Brushless Exciter [J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(6): 1720-1726.

[7] 郝亮亮，王善銘,邱阿瑞，等. 多相無刷勵磁系統勵磁機定子電流諧波特性[J].清華大學學報(自然科學版),2011,51(1):58-62.

[8] 郝亮亮，王善銘，邱阿瑞，等. 多相無刷勵磁系統旋轉整流器故障的仿真與識別[J].電工技術學報，2012,21(4):138-144.